CN109270036B - 一种餐厨垃圾水热产物类黑精类物质的表征方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种餐厨垃圾水热产物类黑精类物质的表征方法，包括如下步骤：(1)称取破碎后的餐厨垃圾并盛装在水热釜内；(2)将水热釜放入油浴锅内进行水热处理，梯度调节水热釜内盛装的餐厨垃圾pH，每个pH条件下水热处理时间为29～31min，温度为129～131℃，水热处理结束后将盛装了餐厨垃圾的水热釜取出并冷却至常温；(3)取湿样并加蒸馏水稀释至湿样质量百分比为8～12％，离心过滤后取上清液作为样品，测定样品在类腐植酸区域内的荧光体积增量ΔΦ(V)和类腐植酸成分的最大荧光强度增量ΔFmax(C2)；(4)以pH值为横坐标，ΔΦ(V)和ΔFmax(C2)为纵坐标绘制曲线图。本发明通过改变餐厨垃圾本底pH的方式呈现餐厨垃圾水热产物类黑精类物质变化的趋势，从而进行有效的表征，简单易行、普适性高。

Description

一种餐厨垃圾水热产物类黑精类物质的表征方法
技术领域
本发明涉及美拉德反应产物测定领域，具体涉及一种餐厨垃圾水热产物黑精类物质的表征方法。
背景技术
在餐厨垃圾进行生物资源化处理前，常通过水热预处理手段来促进有机质溶出从而提升资源化效果。但是，水热预处理会使有机物间发生美拉德反应，产生以类黑精为主的毒性物质，可能对餐厨垃圾资源化起到抑制作用。例如餐厨垃圾在超过一定水热温度后，虽然有机质溶出增加，但产酸量下降。因此，若能调节并控制餐厨垃圾水热时类黑精类物质生成量，能够提高餐厨垃圾的利用效率。由此可见，简单并有效地表征餐厨垃圾水热处理过程中黑精类物质的生成情况，能有效指导餐厨垃圾的水热预处理过程并提升资源化效果。
目前，很多表征美拉德反应产物——类黑精类物质的方法以一些特定物质为研究对象，如奶粉、鱼肉，但这些物质和餐厨垃圾的组成成分之间存在较大差异。近年来，有研究者通过分子质量分离后的UV254吸光度测定餐厨垃圾、污泥和果蔬剩余物热水解过程中产生的不同环式和芳香族化合物来反映类黑精的生成，但是由于餐厨垃圾内有机成分复杂，所以该表征方法并不能对类黑精进行直接表征并容易受到其它成分的影响。至今，还没有研究能建立一个餐厨垃圾水热处理过程中类黑精类物质的统一表征方法。此外，餐厨垃圾水热处理过程中类黑精类物质的生成除了受到水热处理条件影响外，餐厨垃圾本身的pH是一个很重要的影响因素。由于不同地域餐厨垃圾组成成分不同，因此若要有效证明类黑精类物质的生成，就需要利用垃圾在不同pH条件下生成类黑精类物质的变化趋势来有效表征。
综上所述，现有类黑精类物质的表征方法并不能有效表征餐厨垃圾水热处理过程中类黑精类物质，也无法明确水热条件和餐厨垃圾本底条件对类黑精类物质生成的影响。
发明内容
本发明提供一种餐厨垃圾水热产物类黑精类物质的表征方法，利用油浴锅，通过改变餐厨垃圾本底pH的方式呈现餐厨垃圾水热产物类黑精类物质变化的趋势，从而进行有效的表征，简单易行、普适性高。
一种餐厨垃圾水热产物类黑精类物质的表征方法，包括如下步骤：
(1)对餐厨垃圾进行破碎，称取破碎后的餐厨垃圾并盛装在水热釜内；
(2)将水热釜放入油浴锅内进行水热处理，依次调节水热釜内盛装的餐厨垃圾pH为2.8～3.2、3.8～4.2、4.8～5.2、5.8～6.2、6.8～7.2、7.8～8.2、8.8～9.2、9.8～10.2，每个pH条件下水热处理时间从温度升至指定温度开始计时为29～31min，温度为129～131℃，水热处理结束后将盛装了餐厨垃圾的水热釜取出并冷却至常温；
(3)取湿样并加蒸馏水稀释至湿样质量百分比为8～12％，离心过滤后取上清液作为样品，测定样品在类腐植酸区域内的荧光体积增量ΔΦ(V)和类腐植酸成分的最大荧光强度增量ΔFmax(C2)；
(4)以pH值为横坐标，ΔΦ(V)和ΔFmax(C2)为纵坐标绘制曲线图，两种定量表征指标均呈现先下降，再上升的趋势，突变之前提高pH抑制类黑精类物质产生，突变之后提高pH促进类黑精类物质产生。
优选地，还包括根据所述曲线图确定餐厨垃圾水热反应pH、温度和时间的步骤(5)。
ΔΦ(V)通过三维荧光法与区域积分法联用后测定类腐植酸类物质荧光体积得到；ΔFmax(C2)通过三维荧光与平行因子法联用后测定类腐植酸成分荧光强度得到。
而本发明中，类黑精类物质表征方法的基本原理是通过餐厨垃圾在同一水热处理条件下，通过改变垃圾本底pH条件的方式实现不同程度类黑精类物质生成，呈现表征指标的变化，从而表征餐厨垃圾水热处理过程中类黑精类物质。
由于类黑精类物质的产生会消耗餐厨垃圾中的还原糖类物质和蛋白质类物质，特别是还原糖的消耗会显著降低餐厨垃圾底物的利用价值。因此通过本发明方法的表征可以找到餐厨垃圾水热过程中类黑精类物质产生的临界条件，从而减少水热处理过程中可生物降解物质，将更多餐厨垃圾有机质用于厌氧发酵产能。
优选地，步骤(4)中在餐厨垃圾pH为4.8～5.2时出现明显突变，突变之前即pH在2.8～3.2、3.8～4.2、4.8～5.2下类黑精类物质产生量随pH提高而减少，突变之后即pH在4.8～5.2、5.8～6.2、6.8～7.2、7.8～8.2、8.8～9.2、9.8～10.2下类黑精类物质产生量随pH提高而增多。
一种更优选的技术方案，步骤(2)中：将将水热釜放入油浴锅内进行水热处理，依次调节水热釜内盛装的餐厨垃圾pH为3、4、5、6、7、8、9、10后，每个pH条件下水热处理时间从温度升至指定温度开始计时为30min，温度为130℃；
步骤(3)中：取湿样并加蒸馏水稀释至湿样质量百分比为10％；
步骤(4)中：在餐厨垃圾pH为时为5时出现明显突变，突变之前即pH在3、4、5下类黑精类物质产生量随pH提高而减少，突变之后即pH在5、6、7、8、9、10下类黑精类物质产生量随pH提高而增多。
即：骤(2)中：将水热釜内盛装的餐厨垃圾pH依次调节为3、4、5、6、7、8、9、10后，将水热釜放入油浴锅内进行水热处理。每个pH条件下水热处理时间为30min，温度为130℃，在水热处理结束后将盛装了餐厨垃圾的水热釜取出并冷却至常温。取3g湿样，加蒸馏水至30g，离心过滤后取上清液样品保存。
通过测定上清液样品的在类腐植酸区域内的荧光体积增量(ΔΦ(V))和类腐植酸成分的最大荧光强度增量(ΔFmax(C2))来表征类黑精类物质生成情况。ΔΦ(V)通过三维荧光法与区域积分法联用后测定类腐植酸类物质荧光体积得到；ΔFmax(C2)过三维荧光与平行因子法联用后测定类腐植酸成分荧光强度得到。
步骤(3)中：以pH为横坐标，ΔΦ(V)和ΔFmax(C2)为纵坐标绘制曲线图，ΔΦ(V)和ΔFmax(C2)呈现先下降，后上升的变化趋势，在餐厨垃圾pH为时为5时出现明显突变，突变之前即pH在3、4、5下类黑精类物质产生量随pH提高而减少，突变之后即pH在5、6、7、8、9、10下类黑精类物质产生量随pH提高而增多。
在该优选条件下，测出的结果更准确。
优选地，所述餐厨垃圾的有机质含量占餐厨垃圾干重的95％以上，碳氮比控制在17.5～18.5；进一步优选地，所述餐厨垃圾的有机质含量占有机废弃物干重的95％以上，碳氮比控制在18。
优选地，步骤(1)破碎后的餐厨垃圾粒径小于3mm。
优选地，在油浴锅内进行梯度水热的水热釜，盛装的餐厨垃圾湿重控制在29.5～30.5g。进一步地，盛装的餐厨垃圾湿重控制在30g。
优选地，步骤(3)中取湿样并加蒸馏水稀释至湿样质量百分比为10％。即，取3g湿样，加蒸馏水至30g。
优选地，在油浴锅内进行不同pH条件下的水热处理时，油位均达到盛装餐厨垃圾的水热釜三分之二高度位置处。以保证受热均匀且方式相同。
所述油浴锅恒温状态下，内部温度波动为±1℃。
所述水热釜本身具有良好的导热能力，采用外加热方式，可放入油浴锅内加热。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明从简单易行、普适性的角度出发，利用油浴锅和三维荧光光谱仪，通过在特定水热处理条件下改变餐厨垃圾本底pH的方式呈现餐厨垃圾水热产物类黑精类物质变化的趋势，从而对其进行有效表征。
附图说明
图1荧光指标表征不同餐厨垃圾本底pH条件下水热处理后产生类黑精类物质结果。
图2不同水热pH下餐厨垃圾体系中还原糖的消耗量。
具体实施方式
采取餐厨垃圾并进行破碎，使粒径小于3mm，每个样品称取餐厨垃圾约30g，称取后的样品均匀盛装在水热罐内，每个pH条件下称取3份平行餐厨垃圾样品。
将水热釜内盛装的餐厨垃圾pH依次调节为3、4、5、6、7、8、9、10后，将水热釜内放入油浴锅内进行水热处理。每个pH条件下水热处理时间为30min，温度为130℃，在水热处理结束后将盛装了餐厨垃圾的水热釜取出并冷却至常温。取3g左右湿样，加蒸馏水至30g左右，离心过滤后取上清液样品保存。
通过测定上清液样品的在类腐植酸区域内的荧光体积增量(ΔΦ(V))和类腐植酸成分的最大荧光强度增量(ΔFmax(C2))来表征类黑精类物质生成情况。ΔΦ(V)通过三维荧光法与区域积分法联用后测定类腐植酸类物质荧光体积得到；ΔFmax(C2)过三维荧光与平行因子法联用后测定类腐植酸成分荧光强度得到。
以pH为横坐标，ΔΦ(V)和ΔFmax(C2)为纵坐标绘制曲线图。测定结果如图1所示：
由图1可知，两种荧光指标均揭示了pH对餐厨垃圾水热产物类黑精类物质的影响，当pH在3～5的范围内时，提高pH会抑制类黑精类物质的积累；当pH在5～10的范围内时，提高pH会促进类黑精类物质的积累。由此可知，ΔΦ(V)和ΔFmax(C2)两个荧光指标能简单有效地对餐厨垃圾水热过程中生成的类黑精类物质进行表征。
通过测定不同初始pH下餐厨垃圾体系中还原糖的消耗量来验证类黑精类物质的产生对餐厨垃圾底物利用价值的影响。
以初始pH为横坐标，还原糖含量为纵坐标绘制柱状图。测定结果如图2所示：
由图2可知，当初始pH从5上升到7时，餐厨垃圾底物中的还原糖含量会有一个明显的降低。由此可知，类黑精类物质的产生会显著影响餐厨垃圾底物利用价值。
由于类黑精类物质的产生会消耗餐厨垃圾中的糖类物质(还原糖)和蛋白质类物质，因此通过本发明方法的表征可以找到餐厨垃圾水热过程中类黑精类物质产生的临界条件，从而减少水热处理过程中可生物降解物质的消耗，将更多餐厨垃圾有机质用于厌氧发酵产能。
依据本发明表征结果可重新确定餐厨垃圾水热处理时的最佳处理条件为：pH为5，水热温度为130℃，水热时间为30min，此条件下进行水热反应能更好的减少类黑精类物质的产生对餐厨垃圾底物利用价值的影响。
以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (9)

1.一种餐厨垃圾水热产物类黑精类物质的表征方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对餐厨垃圾进行破碎，称取破碎后的餐厨垃圾并盛装在水热釜内；
(2)将水热釜放入油浴锅内进行水热处理，依次调节水热釜内盛装的餐厨垃圾pH为2.8～3.2、3.8～4.2、4.8～5.2、5.8～6.2、6.8～7.2、7.8～8.2、8.8～9.2、9.8～10.2，每个pH条件下水热处理时间从温度升至指定温度开始计时为29～31min，温度为129～131℃，水热处理结束后将盛装了餐厨垃圾的水热釜取出并冷却至常温；
(3)取湿样并加蒸馏水稀释至湿样质量百分比为8～12％，离心过滤后取上清液作为样品，测定样品在类腐植酸区域内的荧光体积增量△Φ(V)和类腐植酸成分的最大荧光强度增量△Fmax(C2)；
(4)以pH值为横坐标，△Φ(V)和△Fmax(C2)为纵坐标绘制曲线图，表征水热产物类黑精类物质随pH变化的产生规律。
2.根据权利要求1所述表征方法，其特征在于，步骤(4)中在餐厨垃圾pH为4.8～5.2时出现明显突变，突变之前即pH在2.8～3.2、3.8～4.2下类黑精类物质产生量随pH提高而减少，突变之后即pH在5.8～6.2、6.8～7.2、7.8～8.2、8.8～9.2、9.8～10.2下类黑精类物质产生量随pH提高而增多。
3.根据权利要求1所述表征方法，其特征在于，所述餐厨垃圾的有机质含量占餐厨垃圾干重的95％以上，碳氮比控制在17.5～18.5。
4.根据权利要求1所述表征方法，其特征在于，步骤(1)破碎后的餐厨垃圾粒径小于3mm。
5.根据权利要求1所述表征方法，其特征在于，在油浴锅内进行梯度水热的水热釜，盛装的餐厨垃圾湿重控制在29.5～30.5g。
6.根据权利要求1所述表征方法，其特征在于，步骤(3)中取湿样并加蒸馏水稀释至湿样质量百分比为10％。
7.根据权利要求1所述表征方法，其特征在于，在油浴锅内进行不同pH条件下的水热处理时，油位均达到盛装餐厨垃圾的水热釜三分之二高度位置处。
8.根据权利要求1所述表征方法，其特征在于，
步骤(2)中：将将水热釜放入油浴锅内进行水热处理，依次调节水热釜内盛装的餐厨垃圾pH为3、4、5、6、7、8、9、10后，每个pH条件下水热处理时间从温度升至指定温度开始计时为30min，温度为130℃；
步骤(3)中：取湿样并加蒸馏水稀释至湿样质量百分比为10％；
步骤(4)中：在餐厨垃圾pH为时为5时出现明显突变，突变之前即pH在3、4、5下类黑精类物质产生量随pH提高而减少，突变之后即pH在5、6、7、8、9、10下类黑精类物质产生量随pH提高而增多。
9.根据权利要求1所述表征方法，其特征在于，还包括根据所述曲线图确定餐厨垃圾水热反应条件的步骤(5)。
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